Es bien sabido que el grafeno es el nuevo material de moda en el mundo de la futura fabricación de productos electrónicos. Con su alta movilidad de portadora y bajo nivel de ruido, El grafeno se considera un posible candidato para reemplazar en última instancia al silicio en los circuitos integrados. Encontrar una manera de caracterizar completamente nuevos materiales como el grafeno es fundamental para el objetivo final de una ingeniería y fabricación exitosas de dispositivos de próxima generación. Los investigadores del Laboratorio de Medición Física del NIST nos han acercado un paso importante a este objetivo con la determinación de la función de trabajo del grafeno y la alineación de bandas de una estructura de grafeno-aislante-semiconductor mediante el uso de técnicas ópticas combinadas de fotoemisión interna (IPE ) y elipsometría espectroscópica (SE).

Si bien IPE y SE han existido durante mucho tiempo, sólo recientemente los científicos han comenzado a combinar las técnicas para su uso en la caracterización de dispositivos de circuitos integrados. El IPE se utiliza para medir la energía de los electrones emitidos por los materiales con el fin de determinar las energías de enlace. Esencialmente, se proyecta una luz sobre una muestra y se mide una fotocorriente creada por los electrones expulsados. En SE, se iluminan fuentes de luz de banda ancha sobre un material, y las propiedades ópticas se determinan a partir de la reflectividad. Ambas técnicas son verdaderamente artesanales. Solo un médico capacitado puede realizar las mediciones con precisión.

“Somos el único grupo en los EE. UU. Que usa las técnicas a tiempo completo, "Explica Nhan Nguyen, de la División de Metrología de Semiconductores y Dimensiones de PML. Nguyen, un experto de renombre mundial tanto en IPE como en SE, aporta una gran experiencia a las instalaciones de vanguardia en NIST. "Nhan es uno de, posiblemente, dos especialistas en fotoemisiones en todo el mundo que tienen una gran profundidad y experiencia en esa técnica de medición, ”Afirma David Gundlach, Líder del proyecto de Nguyen. "En cuanto a elipsometría, hay relativamente pocos especialistas en elipsometría que tienen el rango espectral que puede cubrir con los aparatos de medición que tiene a su disposición en el NIST ".

Nguyen utilizó originalmente las técnicas de medición combinadas para determinar con éxito las alturas de la barrera de energía y la estructura de la banda de los dispositivos semiconductores de óxido metálico (MOS). Sobre la base de ese estudio, su esperanza era poder caracterizar un dispositivo de grafeno-aislante-semiconductor (GIS) de una manera igualmente no destructiva. Los métodos actuales para caracterizar tal dispositivo emplean técnicas destructivas para realizar cortes transversales y analizar. Estos métodos no solo destruyen el dispositivo, pero también potencialmente comprometer las propiedades electrónicas que se están midiendo.

La alineación de la banda es importante en los dispositivos GIS porque las compensaciones de banda correctas son necesarias para evitar corrientes de fuga no deseadas en las aplicaciones del dispositivo. En otras palabras, si las capas no están alineadas de forma precisa, el dispositivo se comportará de manera diferente a lo previsto, quizás incluso fracasando por completo. Esta información es fundamental para la ingeniería exitosa y la capacidad de fabricación y confiabilidad reproducible de dichos dispositivos. Todavía, hasta ahora, no se ha informado de ningún estudio detallado sobre la alineación de bandas de estos dispositivos.

Nguyen y su equipo investigaron una estructura que consistía en una película de grafeno que crecía por deposición química de vapor (CVD), un sustrato de silicio de tipo p dopado degeneradamente, y una capa térmica de SiO2 de 10 nm de espesor. La película de grafeno una capa continua de un átomo, tenía las propiedades necesarias (es decir, extremadamente delgado, robusto, continuo, y semitransparente) para permitir una excelente transmisión óptica que permite realizar mediciones eléctricas muy por debajo de la superficie.

Usando una combinación de IPE (la configuración incluía una fuente de luz de xenón de banda ancha de 150 W y un monocromador Czerny Turner de un cuarto de metro para sintonizar la luz incidente con la energía de los fotones) y SE, Nguyen pudo ver la imagen completa de la alineación de la banda de la estructura. IPE reveló el desplazamiento entre bandas y cómo se alinean entre sí, pero solo en un lado del dispositivo. Las mediciones de SE permitieron el cálculo de los intervalos de banda, lo que llevó a la determinación de toda la estructura de la banda. "En dispositivos, "Nguyen explica, “Queremos compensaciones de banda lo suficientemente grandes para que no haya ruido ni fugas. Si están demasiado cerca los electrones pueden saltar. Con IPE, realmente puedes mirar más profundamente debajo de la superficie del material sin cambiar las propiedades de la interfaz ".

Nguyen también pudo determinar la función de trabajo de la capa de grafeno, que puede variar mucho según el lugar sobre el que se coloque la capa y otros factores ambientales. Los estudios futuros se centrarán en la posibilidad de controlar de forma reproducible las propiedades energéticas de la capa de grafeno en función de las necesidades del dispositivo final.

El impacto potencial de este estudio completo y los resultados publicados en el desarrollo de dispositivos futuros es sustancial. En lugar de desarrollar un dispositivo y medir destructivamente lo que se construyó posteriormente para determinar sus propiedades eléctricas, Los dispositivos pueden diseñarse con un comportamiento eléctrico conocido desde el principio. "La técnica de Nhan es extremadamente valiosa para hacer avanzar la electrónica del futuro en los frentes de la electrónica de semiconductores, fabricación avanzada, y nano fabricación, ”Concluye Gundlach.

Además de estudiar la manipulación de los niveles de energía en una capa de grafeno, Los estudios futuros utilizarán las propiedades únicas del grafeno para estudiar otros materiales. Dado que el grafeno se puede aplicar en una capa muy fina y continua, permite una transmisión óptica mucho mejor que los metales semitransparentes utilizados anteriormente. Nguyen tiene la intención de apilar la capa de grafeno sobre otras capas con propiedades desconocidas, utilizando el grafeno como clave para comprender las capas desconocidas que se encuentran debajo. “Esto nos ha dado acceso a mediciones que antes no estaban disponibles, ”Afirma Nguyen. Esto es fundamental a medida que la industria avanza más allá de la tecnología CMOS. Es necesario caracterizar los nuevos materiales semiconductores utilizados en estructuras y arquitecturas de dispositivos más complicadas. Y ahora Nguyen y sus colegas han demostrado una forma no destructiva de hacerlo.